[发明专利]一种负载型镍基复合物析氢催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种负载型镍基复合物析氢电催化剂及其制备方法和应用。步骤包括：首先对泡沫镍进行预处理，除掉表面氧化物；然后通过电化学沉积法将Ni纳米颗粒负载在经预处理的泡沫镍上；再在上面通过循环伏安法进行处理得到活化后的样品；最后，通过老化得到Ni(OH)₂/Ni(0)复合材料析氢催化剂，并用于中性及碱性条件下的电化学催化析氢反应。该催化剂是负载在泡沫镍上的Ni(OH)₂/Ni(0)复合材料，具有较高的导电性和丰富的异质界面与缺陷，在中性及碱性溶液中有优异的电催化析氢性能。本发明采用的是电化学沉积法、电化学活化法与老化处理法，实验操作简单，且原料价格低廉、易得，易于实现大规模应用。该催化剂可应用于电催化析氢领域。

技术领域

本发明属于电化学催化材料领域，涉及的是一种负载型镍基复合物析氢催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

工业革命以来，人们开始大规模的使用化石能源。能源需求的大幅增长以及化石能源被不断地过度消耗，导致了化石燃料的储量不断下降，在不久的将来远远不能满足人们对化石能源的需求。以及在利用化石燃料的过程中会带来严重的环境问题。所以开发清洁的，可持续再生的新能源就成为了迫在眉睫的任务。在众多的新能源之中，氢能由于能量密度高、无碳排放和可持续利用等优点而成为研究的热点。制氢的方法很多，其中，电解水制氢因操作简单，来源广泛和无污染而被认为是一种非常简单有效的制氢方法。然而，大规模制氢的主要技术障碍之一是开发经济高效的电催化剂。当前，Pt基贵金属被认为是析氢反应中最有效的电催化剂，但是贵金属的高成本和稀缺性极大地阻碍了它们的大规模应用。因此，我们需要开发性能优异、储量丰富且价格低廉的新型析氢催化剂。

经研究发现，3d过渡金属化合物析氢催化剂因其丰富的储量、低廉的价格、良好的性能等优点而被认为是能替代贵金属催化剂的新型材料。其中,价格低廉、储量丰富的过渡金属镍及其化合物因其独特的结构及优异的电催化析氢性能而成为该领域的研究热点。金属镍在中性及碱性溶液中的析氢活性源于未成对d轨道电子易与氢1s轨道配对,但吸附能差,所以产生的过电势依旧很大。

发明内容

针对目前技术中存在的问题，本发明旨在提供一种镍基复合物析氢催化剂及其制备方法和用途。首先，本发明利用浓盐酸对泡沫镍基底预先进行处理，以除去表面的杂质；其次，通过简单的电化学沉积法将Ni纳米颗粒负载到泡沫镍上；接着，通过循环伏安法进行活化；最后，在空气中老化，形成具有丰富异质界面和缺陷的镍基复合材料催化剂，从而改变了催化剂动力学迟缓的问题，降低了镍金属在中性及碱性溶液中的析氢过电势，提升了催化剂在中性及碱性电解质中的性能。丰富的异质界面和缺陷为催化剂提供了大量的催化活性中心并提升了催化剂的传质效率，使Ni(OH)₂/Ni(0)复合材料具有优异的电催化析氢性能。

本发明提出了一种负载型镍基复合物析氢催化剂，该催化剂是在泡沫镍上形成了具有丰富异质界面和缺陷的Ni(OH)₂/Ni(0)的复合催化材料。

本发明提供了一种负载型镍基复合物析氢催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)泡沫镍预处理

将一定大小的泡沫镍放置于烧杯中，加入一定浓度的盐酸溶液并超声处理一定时间，然后分别用去离子水和乙醇超声清洗干净并真空干燥，得到泡沫镍1；

(2)通过电化学沉积法将Ni纳米颗粒负载在泡沫镍1基底上：

将Hg/Hg₂SO₄和碳棒分别作为参比电极和对电极，泡沫镍1为工作电极，以一定浓度的镍盐和硼酸的水溶液为电镀液，通过计时电位法在一定的电压下，将Ni纳米颗粒电沉积到泡沫镍1基底上，一段时间后取出，用去离子水冲洗后得到负载Ni纳米颗粒的泡沫镍2；

(3)通过循环伏安法对泡沫镍2进行活化：